Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation SocietyVol. 19, No. 11 pp. 744-749, 2018

https://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.11.744ISSN 1975-4701 / eISSN 2288-4688

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3차원 공간 모델링을 위한수치고도자료의 특징 및 정확도 분석

이근왕1, 박준규2*

1청운대학교 멀티미디어학과, 2서일대학교 토목공학과

Characteristic and Accuracy Analysis of Digital Elevation Data for 3DSpatial Modeling

Keun-Wang Lee1, Joon-Kyu Park2*

1Department of the Multimedia Science, Chungwoon University2Department of Civil Engineering, Seoil University

요 약 실 공간에 한 정보화와 시각화 기술은 공간정보 구축을 한 주요한 기술이며, 3차원 공간 모델링은 다양한 방법으로 측정된 데이터로부터 공간정보를 구축하는 방법으로 최근 많은 심을 받고 있는 분야이다. 수치고도자료를 취득하는 방법은 주로 3차원 이 스캐 가 이용되어 왔다. 한편, 최근 4차 산업 명의 유망기술로 주목받고 있는 무인항공기

는 빠른 공간정보 취득을 한 획기 인 기술로 평가되고 있으며, 다양한 연구가 수행되고 있다. 하지만 3차원 공간 모델링을 한 자료구축 기술의 정량 인 작업 효율성과 데이터의 정확도에 한 평가는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 3차원 이 스캐 와 무인항공기로 취득되는 군데이터의 특징, 작업공정, 정확도에 한 다각 인 분석을 수행하 다. 3D 이

스캐 무인항공기로 연구 상지의 수치고도자료를 생성하고, 분석을 통해 특징을 악하 다. 정확도 평가를 통해 3D이 스캐 UAV에 의한 수치고도자료가 최 10cm 이내의 정확도를 나타냄을 확인하 으며, 공간정보 구축에 활용이 가능함을 제시하 다. 향후, 3D 이 스캐 와 무인항공기에 의한 수치고도자료는 효율 인 공간정보 구축 방안으로 활용

이 기 된다.

Abstract Informatization and visualization technology for real space is a key technology for construction of geospatial information. Three-dimensional (3D) modeling is a method of constructing geospatial information from datameasured by various methods. The 3D laser scanner has been mainly used as a method for acquiring digital elevationdata. On the other hand, the unmanned aerial vehicle (UAV), which has been attracting attention as a promising technology of the fourth industrial revolution, has been evaluated as a technology for obtaining fast geospatial information, and various studies are being carried out. However, there is a lack of evaluation on the quantitative workefficiency and data accuracy of the data construction technology for 3D geospatial modeling. In this study, various analyses were carried out on the characteristics, work processes, and accuracy of point cloud data acquired by a 3D laser scanner and an unmanned aerial vehicle. The 3D laser scanner and UAV were used to generate digital elevationdata of the study area, and the characteristics were analyzed. Through evaluation of the accuracy, it was confirmedthat digital elevation data from a 3D laser scanner and UAV show accuracy within a 10 cm maximum, and it is suggested that it can be used for spatial information construction. In the future, collecting 3D elevation data froma 3D laser scanner and UAV is expected to be utilized as an efficient geospatial information-construction method.

Keywords : 3D Laser Scanner, Accuracy Analysis, Digital Elevation Data, Unmanned Aerial Vehicle, Spatial Modeling

본 연구는 2018년도 청운 학교 학술연구조성비 지원에 의하여 연구되었음*Corresponding Author : Joon-Kyu Park(Seoil University)Tel: +82-10-3409-3935 email: surveyp@empas.comReceived August 24, 2018 Revised September 31, 2018Accepted November 2, 2018 Published November 30, 2018

3차원 공간 모델링을 위한 수치고도자료의 특징 및 정확도 분석

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1. 서론

수치고도자료는 지형의 고도값을 수치로 장함으로

써 지형의 형상을 나타내는 자료이며[1], 다양한 공간분석이 가능하고, 공간 모델링을 한 기 자료로 사용된

다[2]. 수치고도자료를 취득하는 방법은 주로 3차원 이 스캐 가 이용되어 왔다[3]. 3차원 이 스캐

는 센서에서 상물까지의 거리를 측정하는 원리로 이

를 이용한 거리측정 원리를 이용하여 군형태의 데이

터가 얻어진다[4]. 군데이터는 공간에 존재하는 물체

의 형상정보를 높은 정확도로 취득할 수 있는 장 이 있

다[5]. 군데이터 활용에 한 많은 연구를 통해 데이터의 정확도가 평가된 바 있으며, 구조물 문화재를 상으로 정 한 형상데이터를 구축하고자 한 연구가 수행되

었다[6]. 한편, 최근 4차 산업 명의 유망기술로 주목받

고 있는 무인항공기는 빠른 공간정보 취득을 한 획기

인 기술로 평가되고 있으며, 측량목 의 정사 상의

제작, 수치고도자료의 생성 등 다양한 연구가 수행되었다[7]. 하지만 3차원 공간 모델링을 한 자료구축 기술의 정량 인 작업 효율성과 데이터의 정확도에 한 평

가는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 3차원 이 스캐 와 무인항공기로 취득되는 군데이터의 다각

인 분석을 통해 공간 모델링을 한 무인항공기 활용

의 가능성을 제시하고자 한다. 이를 해 3D 이 스

캐 와 무인항공기로 수치고도자료를 구축하며, 각 데이터의 특징, 작업공정, 정확도에 한 분석을 수행한다. Fig. 1은 연구흐름도를 나타낸다.

Fig. 1. Study Flow

2. 3D 레이저 스캐너에 의한

수치고도자료

본 연구에서는 3D 이 스캐 무인항공기에 의

한 수치고도자료의 분석을 해 구 역시 역

시 인근을 연구 상지로 선정하고, 데이터를 취득하다. 3D 이 스캐 는 T사의 SX10 3D 이 스캐

를 이용하 다. Fig. 2는 SX10을 나타낸다[8].

Fig. 2. SX10

연구 상지의 면 은 약 66,000m2로 3회에 데이터를 취득되었다. 취득된 데이터의 데이터 처리는 TRW (Trimble Real Works) 소 트웨어를 이용하 으며, Georeferencing을 해 기계 의 좌표정보를 입력하고, 취득된 군데이터의 형상을 이용한 정합을 수행하 다. Fig. 3은 데이터 취득 처리 과정이며, Fig. 4는 자료처리 과정 3D 이 스캐 를 이용해 구축한 수치고

도자료를 나타낸다.

Fig. 3. Scanning Data Acquisition and Processing

한국산학기술학회논문지 제19권 제11호, 2018

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Fig. 4. Digital Elevation Data by 3D Laser Scanner

3D 이 스캐 에 의한 수치고도 자료 취득 작업

공정은 데이터 취득과 자료처리 과정으로 구분할 수 있

으며, 작업에 소요되는 시간은 상지역의 면 에 비례

한다. 연구 상지역의 경우 총 3회의 데이터 취득과 기계 성과 자동정합에 의한 수치고도자료 구축에 총

2시간이 소요되었다. Table 1에 3D 이 스캐 에 의

한 작업공정 소요시간을 나타내었다.

Work ProcessTime

Field OfficeData Acquisition - 20 minutes per session

- Registration 10 minutes per session- Data Analysis 30 minutes

Table 1. Work Process and Time by 3D Laser Scanner

3D 이 스캐 로 구축된 군 형태의 수치고도자

료는 지형지물의 형상 색상에 한 정보의 취득이 가

능하고, 장비로부터 거리가 멀어질수록 군 데이터의 간격이 커지는 것을 알 수 있었다. 한 지형지물에 가리거나 건물의 옥상과 같이 장비에서 시 이 불가능한 지

역에 음 지역이 발생하는 특징이 있었다. Fig. 5는 3D 이 스캐 의 음 지역을 나타낸다.

Fig. 5. Shaded areas of the 3D Laser Scanner

3D 이 스캐 에 의한 수치고도자료의 정확도 평

가를 해 9 의 검사 에 한 좌표를 VRS(Virtual Reference Station) 방법으로 취득하 으며, 수치고도자료에서 얻은 좌표성과와 비교하 다. 검사 은 멘홀, 도로표지 등을 이용하 으며, Fig. 6에 검사 을 나타내었다.

Fig. 6. Check Points of 3D Laser Scanner Data

검사 에 한 정확도 평가 결과, 수평방향으로 최

1.6cm, 수직방향으로 최 1.7cm의 편차가 발생하 다. Table 2는 3D 이 스캐 의 정확도 평가 결과를 나

타낸다.

No. N(m) E(m) H(m)1 356658.202 158891.926 79.072 2 356627.016 158908.071 75.861 3 356560.363 158934.753 75.833 4 356507.675 158934.512 75.980 5 356634.971 158976.746 77.208 6 356623.424 158990.424 77.068 7 356653.455 158985.444 77.390 8 356642.959 158995.985 78.080 9 356777.873 159110.563 84.919

No. dN(m) dE(m) dH(m)1 0.014 0.015 0.0152 0.011 -0.016 0.0143 0.013 0.014 0.0134 -0.016 0.011 0.0175 0.014 -0.009 0.0136 0.005 0.010 0.0127 -0.014 0.007 0.0128 0.011 -0.014 0.0149 0.013 0.009 0.016

Table 2. Accuracy evaluation results of 3D Laser Scanner

3차원 공간 모델링을 위한 수치고도자료의 특징 및 정확도 분석

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3. 무인항공기에 의한 수치고도자료

무인항공기에 의한 수치고도자료 구축을 해

역시 인근의 무인항공촬 자료처리를 수행하 다. 촬 에 이용한 무인항공기는 D사의 Phantom4 Pro를 이용하 으며, 데이터 처리는 UAS Master 소 트웨어를

사용하 다. Fig. 7은 Phantom4 Pro를 나타낸다[9].

Fig. 7. Phantom4 Pro

연구 상지역의 면 은 약 24,000m2이며, 총 683매의 사진이 촬 되었다. 자료처리는 UAS Master 소 트

웨어를 이용하여 5 의 GCP(Ground Control Point)를 이용한 georeferencing을 수행하 다. Fig. 8은 자료처리 과정 화면이며, Fig. 9와 Fig. 10은 정사 상 수치

고도자료를 나타낸다.

Fig. 8. Data Processing Flow and Data Processing Screen

Fig. 9. Ortho Image

Fig. 10. Digital Elevation Data

무인항공기에 의한 작업 공정은 3D 이 스캐 와

마찬가지로 데이터 취득 자료처리 과정으로 구분할

수 있으며, 작업에 소요되는 시간은 상지역의 면 에

비례한다. 연구 상지역은 1회의 데이터 취득과 자료처리 과정을 거쳐 수치고도자료를 생성하는데 총 2.5시간의 작업시간이 소요되었다. Table 3에 무인항공기에 의한 작업공정 소요시간을 나타내었다.

Work ProcessTime

Field Office

Data Acquisition - 20 minutes

- Post Processing 100 minutes

- Data Analysis 30 minutes

Table 3. Work Process and Time by 3D Laser Scanner

무인항공기에 의한 수치고도자료는 3D 이 스캐

에 비해 넓은 면 의 데이터 구축이 가능하 으며, 취

한국산학기술학회논문지 제19권 제11호, 2018

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득되는 사진에서 식별이 어려운 건물의 면이나 수목의

하단과 같은 역의 데이터 생성이 불가능 하 다. 한 도로와 같은 평탄한 지형에서 다소 굴곡이 있는 데이터

가 생성되는 특징이 나타났다. Fig. 11은 무인항공기에 의한 수치고도자료의 굴곡 상을 나타낸다.

Fig. 11. Curvature of Digital Elevation Data by UAV

무인항공기에 의한 수치고도자료의 정확도 평가를

해 5 의 검사 에 한 좌표를 VRS 방법으로 취득하고, 무인항공기 정사 상 수치고도자료에서 얻은 좌

표성과와 비교하 다. 검사 은 도로표지를 이용하 으

며, Fig. 12에 검사 을 나타내었다.

Fig. 12. Check Points of UAV

무인항공기 데이터의 검사 에 한 정확도 평가 결

과, 수평방향으로 최 3.7cm, 수직방향으로 최 9.8cm의 편차가 발생하 다. Table 4는 무인항공기의 정확도 평가 결과를 나타낸다.

No. N(m) E(m) H(m)

1 412892.422 231952.421 132.724

2 412956.635 232025.024 145.256

3 412631.687 232084.235 125.236

4 412307.288 232095.477 136.214

5 412364.254 232251.236 154.214

No. dN(m) dE(m) dH(m)

1 -0.024 -0.017 -0.098

2 0.031 0.021 0.074

3 0.037 0.037 -0.067

4 0.032 0.031 0.087

5 -0.031 -0.027 0.081

Table 4. Accuracy evaluation results of UAV

3D 이 스캐 와 무인항공기로 취득되는 군데

이터의 특징 정확도는 Table 5와 같으며, 상지역의 면 에 따른 데이터 취득 처리의 상시간은 Table 6과 같다.

Method Features Accuracy

3D Laser Scanner

- Shaded areas occur where parts are not observed at the instrument point

- High accuracy data- Requires a lot of work time to

acquire data in a wide area

-0.016m~

0.017m

UAV

- Low accuracy compared to 3D laser scanners

- Curvature of Digital Elevation Data- Generate large area data in short

time

-0.098m~

0.087m

Table 5. Features and Accuracy of Pointcloud Data

AreaTime of Data Acquisition and Processing

3D Laser Scanner UAV

66,000m2 120min 110min

153,000m2 210min 130min

240,000m2 390min 150min

Table 6. Estimated Time of Data Acquisition and Processing by area

Table 5와 Table 6에서 보는 바와 같이 무인항공기를 이용한 수치고도자료는 3D 이 스캐 에 비해 짧은

시간에 넓은 면 의 데이터 생성이 가능하 지만 다소

낮은 정확도가 확인되었다. 하지만 데이터 취득의 높은

3차원 공간 모델링을 위한 수치고도자료의 특징 및 정확도 분석

749

효율성으로 인해 높은 정확도를 요구하지 않는 공간정보

구축에 충분히 활용이 가능할 것으로 단된다.

4. 결론

본 연구는 3차원 이 스캐 와 무인항공기로 취득

되는 군데이터의 특징, 작업공정, 정확도에 한 다각인 분석을 통해 공간 모델링을 한 무인항공기 활용

의 가능성을 제시하고자 한 것으로 연구를 통해 다음과

같은 결론을 얻을 수 있었다.1. 연구 상지에 한 데이터를 3D 이 스캐

무인항공기를 이용하여 취득하 으며, 자료처리를 통해 군 형태의 수치고도자료를 구축하 다.

2. 3D 이 스캐 무인항공기에 의한 수치고도

자료의 특징을 분석하 으며, 정확도 평가를 통해 최 10cm 이내의 정확도를 확인함으로써 수치고도자요의 활용성을 제시하 다.

3. 향후, 3D 이 스캐 와 무인항공기에 의한 수

치고도자료는 효율 인 공간정보 구축 방안으로

활용이 기 된다.

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이 근 왕(Keun-Wang Lee) [종신회원]

•1993년 2월 : 한밭 학교 자계산

학과 (공학사)•1996년 : 숭실 학교 컴퓨터학과

(공학석사)•2000년 : 숭실 학교 컴퓨터학과

(공학박사)•2001년 2월 ~ 재 : 청운 학교

멀티미디어학과 교수

< 심분야>멀티미디어 통신, 멀티미디어 응용, 모바일 통신

박 준 규(Joon-Kyu Park) [종신회원]

•2001년 2월 : 충남 학교 공과 학

토목공학과 (공학사)•2003년 2월 : 충남 학교 학원

토목공학과 (공학석사)•2008년 8월 : 충남 학교 학원

토목공학과 (공학박사)•2011년 3월 ~ 재 : 서일 학교

토목공학과 부교수

< 심분야>지형공간정보공학